音波がピンポン球を水中障害物コースに送り込む

スイスのローザンヌ連邦工科大学（EPFL）のエンジニアたちは、可聴音波を利用して、予測不可能な水中障害物コース上で物体を操縦するシステムを開発した。しかし、スピーカーがプールの周りで浮遊するピンポン玉を操縦するのを見るのと同じくらい、この「波の運動量形成」と呼ばれるプロセスは、人間の患者への安全な新しい薬物送達方法への道を開くかもしれない。

非常に大きな音のコンサートに行ったことがあるなら、音波の物理的な威力はご存知でしょう。しかし、実際に音で人を押しのけるには、人を傷つけるか、あるいは即死させるほどの音量が必要です。しかし、音声で人を誘導するのは実用的な移動手段ではありませんが、より微細な周波数を使用することで、同じ原理をはるかに小さな物体に適用することは理論的に可能です。さらに、音響の幅広い周波数範囲により、数センチメートルから数マイクロメートルのサイズのターゲットを操作することができます。

「特に音波は生体適合性があり無害で、波長が短いためさまざまな不均質で不透明で吸収性のある媒体を透過できるため、明確な利点がある」とEPFLの研究者らは6月21日にネイチャー・フィジックス誌に発表した論文で説明している。

そこでエンジニアたちは、故アーサー・アシュキン氏が2018年にノーベル賞を受賞した光ピンセットで開拓された概念をさらにインスピレーションとして活用し、まさにそれを実行した。しかし、チームの波の運動量形成システムを理解するのに世界的に有名な物理学者である必要はない。彼らは付随する発表の中で、それを「極めてシンプル」とさえ表現している。

「この方法は運動量保存則に基づいているため、非常に有望です」と、研究の共著者でEPFLの波動工学研究所所長のロマン・フルーリー氏は6月25日に語った。アシュキン氏の光ピンセットはレーザー光線を使って粒子を捕捉するが、フルーリー氏は波の運動量形成を、ホッケーのスティックでパックを誘導するように音を使って物体を優しく押すようなものに例える。

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研究者たちは、設計をテストするために、筐体全体に複数のスピーカーを配置した大きな水槽にピンポン玉を入れました。次に、スピーカーアレイから 1,590Hz の音波を再生して、事前に計画された経路に沿ってボールを滑らせ、マイクがボールがボールに跳ね返る際の散乱行列と呼ばれるフィードバックを検出しました。散乱行列データと頭上カメラの情報を組み合わせることで、チームはピンポン玉の移動中に音波の運動量を最適化するためのリアルタイム計算を実行できました。

しかし、エンジニアたちは、変化しない環境の中で物体を移動させるだけでは満足しませんでした。次に、固定された障害物と動く障害物の両方を含むタンク内でシステムをテストし、球形のピンポン玉を折り紙の蓮の花などのより複雑なデザインの物体に置き​​換えてテストすることに成功しました。波の運動量形成が複雑で予測不可能な環境に対応できることを実証することで、チームは将来の反復で人体のような動的な空間に対応できると考えています。

「一部の薬物送達法では、カプセル化された薬物を放出するために音波がすでに使用されているため、この技術は、例えば薬物を腫瘍細胞に直接送り込むのに特に魅力的です」とフルーリー氏は述べた。

同様の方法は、物理的な相互作用によってサンプルが汚染されたり損傷されたりする可能性がある生物学的分析や組織工学などの他の作業にも役立つ可能性があります。今後、フルーリー氏と同僚は、超音波を使用して個々の細胞を誘導することで、より小さな範囲に移動したいと考えています。